近日，數理學院碩士研究生成艷在國際知名學術期刊《Laser & Photonics Reviews》（IF=11.2，中科院和JCR分區均為1區）上發表題為“Hybrid Plasmonic Waveguides with Tunable ENZ Phenomenon Supported by 3D Dirac Semimetals”的文章。基于半橢圓纖維-三維狄拉克半金屬-金襯底多層結構中的介電常數近似為零(epsilon-near-zero，ENZ)效應，文章研究分析了混合模式結構在中紅外波段的可調節傳播特性。上海師范大學為論文的第一單位，數理學院2021級碩士生成艷同學為第一作者，何曉勇老師為通訊作者。文章鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/epdf/10.1002/lpor.202400167。

基于三維狄拉克半金屬的中紅外波可調諧混合模式結構示意圖

不同溫度下3D DSM介電常數的實部（a）和虛部（b），（c）傳播長度，（d）歸一化有效模式面積。3D DSM層的費米能級為0.12 eV

與石墨烯類似，三維狄拉克半金屬（3D Dirac Semimetals, 3D DSM）具有載流子遷移率大、費米速度高和光電特性易于調節的優勢，很適合研制高性能的調控器件。ENZ（epsilon-near-zero）效應是指在一個或多個頻率附近介電常數接近于零的一種有趣的光學現象，具有相速度接近無限大、電場局域增強和非線性響應強等優點。在中紅外波段帶間躍遷的貢獻起到重要作用，導致3D DSM在轉變頻率(?ω≈2μc)附近的介電常數近似為零，并且ENZ區域隨著溫度和費米能級改變可以靈活調節。

基于3D DSM中的ENZ現象，研究團隊在SiO2-DSM-Au多層混合模式結構基礎上，通過改變溫度、結構參數和費米能級實現了對中紅外波的有效調節。研究表明當溫度小于室溫時，混合模式的傳播長度在ENZ區域出現明顯的突變，如在77 K時的突變比(最大值與最小值的比值)超過200。通過在0.08 ~ 0.15 eV范圍內調節費米能級，傳播長度的突變可以在3.81~45.3范圍內調節，同時ENZ區域最大值的對應頻率從27.9 THz增大到35.5 THz，發生了明顯的藍移現象。上述研究內容對于了解三維狄拉克半金屬調控器件的物理機制、開展新型高性能表面等離子激元功能器件，如低閾值激光器、高品質因子調制器和高品質因子濾波器，提供了新的思路和方法。

本研究獲得上海市自然科學基金、上海地方高校能力建設項目和上海師范大學校級項目的支持。

（供稿、攝影：數理學院）